逆变器：电动汽车的心脏

作者 Romain Nicolas

电动汽车逆变器是动力总成的重要器官，但与电池或电机相比，它经常被忽视。NAS (2010) 的一项研究表明，它是 PHEV 中最昂贵的组件，仅次于电池。

基于此，必须对其进行仔细设计。这就是这篇文章中描述的内容。

Simcenter Amesim 以及与人类心脏的类比

为什么是心脏？因为它推送血液（即能量或电力）穿过不同的器官（即电动机、电池、车载充电器等）。

就像心腔和心室将血液泵送到全身一样，逆变器的晶体管和二极管将电子泵入和泵出电路。血压相当于电压水平，需要有足够高的压力才能让血液恰当地灌溉大脑。

Simcenter Amesim 是领先的电气化系统仿真解决方案，允许您 比较电动汽车的不同电压水平，并查看对电流水平、电流质量和动力总成效率的影响。

定义电压电平后，我们就可以选择晶体管的技术，通常是 IGBT 或 MOSFET。

在 Simcenter Amesim 中，可以通过两种方式完成此操作：导入来自数据表的数据，或者导入来自 Xpedition AMS 或 PartQuest Explore 的导通和开关波形。

从系统仿真中推导出不同晶体管的比较及其对电动汽车续航里程的影响。这是 SFTP-US06 驾驶周期中配备 68 kWh 电池的中型电动汽车：

电动汽车逆变器的开关频率类似于 BPM（每分钟心跳次数），就像医生拿着听诊器一样，Simcenter Amesim 可以使用频谱图评估逆变器的噪声振动和声振粗糙度行为：

在这种情况下可以观察到对电机扭矩脉动的影响。电动汽车逆变器的开关频率为 10 kHz，其一次谐波在 20 kHz 处观察到。

在电气方面，高频电流波动称为电流纹波。为避免纹波通过直流总线传播，需要一个直流链路电容器。它将成为高频交流电的首选路径。

直流链路电容器还用于加强直流电压，即降低纹波电压。

提高开关频率需要更小的直流链路电容器，从而实现更小的元件和更高的逆变器功率密度。以下是使用 0.005 F 直流链路电容器时不同开关频率的电压纹波比较：

增加开关频率 (BPM) 将导致心脏释放更多的热量。由于逆变器是一项复杂的工程，因此准确捕获其瞬态热行为需要 3D CFD 或测试方法。事实上，一些逆变器位置（如晶体管的结温）可能会面临热点。温度可能会超过规定的限值，半导体可能会失效或累积热疲劳。

为了在 Simcenter Amesim 中准确识别这些热点，可以使用两种模型降阶技术：

Simcenter Flotherm BCI-ROM FMU 创建并导入到 Simcenter Amesim 中

下图显示了 IGBT 和 SiC MOSFET 在 SFTP-US06 驱动周期中的结温比较。碳化硅的高导热性可降低开关损耗和温度。这样可以降低冷却系统容量和/或提高逆变器的开关频率。

既然已经在正常运行条件下描述了电动汽车的“心脏”，让我们看看当它出现故障时会发生什么，例如在“颤动”的情况下。

心房颤动是一种不规则且通常快速的心率，会增加卒中、心力衰竭和其他心脏相关并发症的风险。

在心房颤动期间，心脏的两个上腔室（心房）跳动混乱且不规则，与心脏的两个下腔室（心室）不协调。心房颤动的症状通常包括心悸、气短和虚弱。

例如，当电流传感器对地短路时，或者机器速度传感器出现偏移或返回不稳定的值时，电动汽车逆变器可能会出现颤动。以下视频描述了此类故障的热和电气后果。

Simcenter Amesim 电动汽车逆变器的故障分析

总而言之，逆变器是一个复杂的组件，就像心脏一样。需要一些工程工作来了解和掌握电动汽车逆变器的正确操作。通过依赖高级仿真方法（如 Simcenter 产品组合中的方法），可以减少这些工作。

如果您想了解更多关于完整逆变器设计过程的信息并了解 Simcenter Amesim 的实际应用，请注册参加此点播式网络研讨会。

在此处了解 GKN 如何使用此工程工作流程缩短电动汽车的上市时间和原型循环。

如果您正在寻找实际的心脏仿真，我们也可以通过这个 Simcenter STAR-CCM+ 三叶心脏瓣膜的流固耦合仿真提供帮助。